□唐勝菊 □馮 立 □楊 杰

四川廣播電視大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 成都 610073

1 研究背景

數(shù)控機床是現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的一部分[1]，隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，人們對數(shù)控機床的設(shè)計研發(fā)提出了新的要求。為了滿足客戶個性化、柔性化的設(shè)計要求，必須要有一種更具繼承性、創(chuàng)造性的方法來提高數(shù)控機床的設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，豐富設(shè)計內(nèi)容。目前，數(shù)控機床的設(shè)計與制造方法仍然比較繁雜，大量工作需要設(shè)計人員人工完成，設(shè)計過程中需要經(jīng)驗豐富的工程師完成大量計算，許多功能和結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品也要經(jīng)過大量計算才能完成[2]，這樣的設(shè)計方法不僅容易增加設(shè)計的出錯率，而且會延長設(shè)計周期。

模塊化設(shè)計是一種適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)制造開發(fā)的設(shè)計方法，基于模塊間的合理組合，可滿足產(chǎn)品設(shè)計個性化及多變性需求[3]。作為制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的數(shù)控機床，其大部分零部件已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化[4]，將模塊化設(shè)計方法應(yīng)用到機床設(shè)計，不但能有效縮短設(shè)計周期，而且能提升企業(yè)競爭力?；谥R工程技術(shù)，可有效繼承領(lǐng)域?qū)＜业脑O(shè)計經(jīng)驗，為設(shè)計的合理性、可靠性提供保障?？芍貥?gòu)數(shù)控機床在工序集中、提高生產(chǎn)效率、減小裝夾誤差、提高加工精度及穩(wěn)定性方面有獨特的優(yōu)勢，因此，基于知識工程理論的可重構(gòu)數(shù)控機床模塊化設(shè)計方法能為企業(yè)的高效生產(chǎn)設(shè)計提供有效支持，是符合現(xiàn)代生產(chǎn)制造發(fā)展需求的創(chuàng)新方法。

2 可重構(gòu)數(shù)控機床快速設(shè)計

在基于知識工程的可重構(gòu)數(shù)控機床快速設(shè)計總體過程中，基于知識工程推理而獲得的結(jié)果是機床結(jié)構(gòu)設(shè)計和后續(xù)詳細(xì)設(shè)計的主要依據(jù)。設(shè)計需求知識由領(lǐng)域?qū)＜液凸こ處熖峁⒕幦胫R庫匯集，采用推理控制策略對知識庫進(jìn)行推理計算，將計算結(jié)果輸出，成為參數(shù)化設(shè)計的主要依據(jù)。根據(jù)輸出結(jié)果進(jìn)行三維模塊調(diào)用及評價，進(jìn)而依據(jù)用戶需求在線組裝。同時，根據(jù)知識庫中的評價體系對調(diào)用結(jié)果及裝配方案進(jìn)行評價，優(yōu)選出合適方案后在線輸出。優(yōu)秀方案可在項目主管工程師和系統(tǒng)綜合評價后再次加入知識庫，以豐富知識庫的內(nèi)容和質(zhì)量?？芍貥?gòu)數(shù)控機床快速設(shè)計框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

可重構(gòu)數(shù)控機床快速設(shè)計方法的主要功能模塊包括需求量化、專家系統(tǒng)、知識庫、結(jié)果生成、性能分析及評價等，其中結(jié)果生成主要是利用專家系統(tǒng)和知識庫，推理出符合設(shè)計要求的功能，并以參數(shù)化裝配規(guī)則在線進(jìn)行裝配。性能分析及評價模塊主要對在線生成方案進(jìn)行有限元分析、運動學(xué)分析及操作適應(yīng)性分析，操作適應(yīng)性分析可利用CATIA軟件二次開發(fā)接口，并調(diào)用中國人體模型，用來模擬操作的舒適性及操作空間的合理性。評價合格的方案將以三維實體模型方式在線輸出。

3 可重構(gòu)數(shù)控機床特點與設(shè)計

作為可重構(gòu)制造系統(tǒng)中重要組成部分的可重構(gòu)數(shù)控機床，是解決未來企業(yè)大批量定制化生產(chǎn)的技術(shù)核心之一[5]，是快速響應(yīng)市場和客戶需求的關(guān)鍵保障?？芍貥?gòu)數(shù)控機床作為一種新概念機床，是制造業(yè)市場環(huán)境與需求不斷發(fā)展的產(chǎn)物。相比傳統(tǒng)專用機床，可重構(gòu)數(shù)控機床在制造非標(biāo)準(zhǔn)件、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，以及制造柔性等方面有較大優(yōu)勢。目前，人們對可重構(gòu)機床的研究主要集中在理論分析及配置方面。Moon Yong Mo和Sridhar Kota[6]給出了一種可重構(gòu)機床運動合成方法，并基于這一方法研制了一套計算機軟件。文獻(xiàn)[7]提出了形象思維的可重構(gòu)數(shù)控機床人機交互設(shè)計方法，并通過案例來驗證這一方法的可行性。曾法力、李愛平等[8]提出了基于圖文法的可重構(gòu)配置規(guī)劃方法，采用圖文法可以較直觀地表述動態(tài)體系結(jié)構(gòu)的配置行為，利用基于圖文法的平行模塊配置技術(shù)，可以實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)圖模型在具體系統(tǒng)配置規(guī)劃中的物理實施。以上可重構(gòu)數(shù)控機床的配置方法主要基于零件加工工藝需求，設(shè)計過程中所需要的人機交互過程較多。筆者在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于知識工程的模塊化可重構(gòu)數(shù)控機床結(jié)構(gòu)配置方法，完成相似功能結(jié)構(gòu)部件的模塊化組合配置及參數(shù)化映射，并對配置方案進(jìn)行測評尋優(yōu)，評價體系的完備性和評價范圍的廣泛性可以確保設(shè)計結(jié)果滿足要求。

3.1 功能需求及參數(shù)定義

研究發(fā)現(xiàn)，制造系統(tǒng)下層結(jié)構(gòu)和部件是可重構(gòu)系統(tǒng)的主要組成部分，其性質(zhì)對系統(tǒng)的快速重構(gòu)影響較大?？芍貥?gòu)數(shù)控機床是針對被加工零件族和加工制造技術(shù)要求，利用模塊、組件、部件等，進(jìn)行重排、換元、變形，改變功能，并快速響應(yīng)市場需求的一種可變機床系統(tǒng)。實現(xiàn)重構(gòu)的方法有兩種：物理層重構(gòu)和邏輯重構(gòu)。物理層重構(gòu)指從系統(tǒng)外新引入一個元素或從系統(tǒng)內(nèi)部移出一些元素，由一個部件替換已有部件來重新定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能。邏輯重構(gòu)不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅改變生產(chǎn)計劃方式并實現(xiàn)重構(gòu)。具體到可重構(gòu)數(shù)控機床，主要是物理層重構(gòu)，依靠模塊化和自適應(yīng)調(diào)整實現(xiàn)。

如何滿足設(shè)計要求，需要系統(tǒng)地分析可重構(gòu)數(shù)控機床的設(shè)計工程參數(shù)，而設(shè)計工程參數(shù)的獲取可以通過智慧風(fēng)暴方式確定[9]。召開智慧風(fēng)暴會議，要求參會人員必須是可重構(gòu)數(shù)控機床的設(shè)計人員或目標(biāo)用戶，發(fā)揮出集體智慧，并由專人記錄各方觀點，整理分析出最有價值的建議。根據(jù)智慧風(fēng)暴會議確定的可重構(gòu)數(shù)控機床設(shè)計工程參數(shù)見表1。

表1 可重構(gòu)數(shù)控機床設(shè)計工程參數(shù)

表1列出了14個具體化的可重構(gòu)數(shù)控機床設(shè)計工程參數(shù)，為了方便參數(shù)化分析，將上述工程參數(shù)分為三類:物理幾何參數(shù)、負(fù)向參數(shù)和正向參數(shù)。物理幾何參數(shù)指機床結(jié)構(gòu)參數(shù)，如機床外形尺寸、加工范圍、加工精度等。正向參數(shù)指如果自身增大，能有效提高可重構(gòu)數(shù)控機床系統(tǒng)性能的參數(shù)，如適應(yīng)性及重構(gòu)性、工作效率、操作舒適度等。負(fù)向參數(shù)指自身越大，對機床系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響就越大的參數(shù)，如生成成本、操作時間、重構(gòu)時間等。

3.2 功能部件構(gòu)建

可重構(gòu)數(shù)控機床的關(guān)鍵是功能部件的模塊化，在構(gòu)建機床功能模塊之前，需要對可重構(gòu)數(shù)控機床功能模塊進(jìn)行劃分。模塊劃分不單是針對某一特定產(chǎn)品，而是以一個產(chǎn)品族進(jìn)行劃分，力求將已有資源最大化利用。功能分析包括對功能的認(rèn)識、分析、分解、組合等，對于數(shù)控機床這種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，可將總功能逐層分解為一級、二級、三級功能，以細(xì)化功能結(jié)構(gòu)，更便于貼近設(shè)計要求。通過分析，將主運動系統(tǒng)、進(jìn)給運動系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)、工作臺分度回轉(zhuǎn)功能、支撐功能和輔助功能這6個功能劃分為一級功能單元[10]，之后再將這6個一級功能單元細(xì)化為13個二級子功能單元，再按照這種分層方式細(xì)化三級子功能單元，最終得到基本功能單元。功能單元劃分如圖2所示。

圖2 功能單元劃分圖

經(jīng)過模塊化劃分的機床產(chǎn)品能有效降低后續(xù)設(shè)計的復(fù)雜性，更便于維護(hù)和調(diào)試，方便依照客戶需求修改和組合功能模塊，實現(xiàn)機床重構(gòu)，完成機床產(chǎn)品的快速設(shè)計。

3.3 參數(shù)化設(shè)計與配置

建立零部件結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，是實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)化的基礎(chǔ)。對基于知識工程的可重構(gòu)數(shù)控機床模塊化設(shè)計系統(tǒng)而言，從知識庫、模塊庫中調(diào)用參數(shù)化模型和推理運算規(guī)則信息并加以應(yīng)用，是保障快速設(shè)計的前提。參數(shù)化設(shè)計針對的是機床功能結(jié)構(gòu)形式相對比較固定的零部件，通過一組關(guān)聯(lián)參數(shù)對零部件的結(jié)構(gòu)尺寸、裝配組合關(guān)系進(jìn)行約束，生成滿足要求的模型方案。建立參數(shù)化模型的主要步驟如下：①分析零部件的尺寸參數(shù)和特征參數(shù)，得到主動參數(shù)與從動參數(shù)，建立模型之間的參數(shù)化關(guān)系；②建立模型草圖，配置幾何約束關(guān)系；③統(tǒng)一定義模型的屬性，以便調(diào)用零部件信息，使其與物料清單表內(nèi)信息互通；④對模塊進(jìn)行有效編碼，用編碼方式來表述零部件信息，避免文字描述的冗余性；⑤模塊配置，即根據(jù)客戶需求系統(tǒng)自動檢索對應(yīng)功能模塊，之后通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行組裝。在模塊分類中采用的編碼技術(shù)是一組能完全表征模塊信息的唯一識別碼，能便于模塊主參數(shù)特征的字符化和代碼化，利于信息的存儲、檢索與共享，編碼方式包括對模塊本身的編碼和模塊接口的編碼。對數(shù)控機床產(chǎn)品的模塊特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，可以采用18位主碼來表征機床模塊信息，第一位是機床版本號，第二、第三位是機床系列號，第四、第五位是機床類別號，第六、第七位是機床規(guī)格碼，第八到第十一位是模塊分類碼，第十二到第十七位是模塊特征參數(shù)信息碼，第十八位是備用碼。可重構(gòu)數(shù)控機床模塊配置技術(shù)主要包括模塊選擇與模塊裝配，借助實例推理，實現(xiàn)模塊選擇，利用模塊間對應(yīng)接口，對比選擇適當(dāng)裝配關(guān)系，獲得三維產(chǎn)品方案，再通過后續(xù)系統(tǒng)評價，輸出滿意結(jié)果。

4 結(jié)束語

可重構(gòu)數(shù)控機床設(shè)計中，獲得重構(gòu)性高、適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)簡單的機床產(chǎn)品一直是設(shè)計者的目標(biāo)，但機床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，卻讓這一目標(biāo)難以實現(xiàn)。采用基于知識工程的可重構(gòu)數(shù)控機床模塊化設(shè)計方法，可以解決這一問題。基于知識工程的可重構(gòu)數(shù)控機床模塊化設(shè)計系統(tǒng)界面由系統(tǒng)登錄界面和參數(shù)設(shè)計界面組成，參數(shù)設(shè)計界面僅顯示設(shè)計主參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)通過一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系與主參數(shù)建立連接，進(jìn)而驅(qū)動各模塊調(diào)用、裝配與評價。可重構(gòu)數(shù)控機床的模塊配置主要涉及模塊選擇與模塊裝配，模塊選擇主要根據(jù)客戶要求，從系統(tǒng)界面設(shè)置主參數(shù)，在系統(tǒng)中對模塊進(jìn)行檢索和評價，選出與用戶期望最符合的模型方案。如果系統(tǒng)中的方案不能滿足設(shè)計要求，則啟動規(guī)則修正模式，對相近功能模塊進(jìn)行修正，以滿足設(shè)計要求。模塊裝配將選擇出來的成熟功能模塊和修正模塊按各模塊之間的接口裝配成符合客戶需求的產(chǎn)品。用戶類型包括項目主管類型和項目成員類型，其中項目主管有權(quán)將系統(tǒng)生成的產(chǎn)品加入系統(tǒng)或刪除，可依據(jù)系統(tǒng)的評分與自身專業(yè)知識判斷是否將新生實例存放于知識庫、模型庫，以擴充系統(tǒng)內(nèi)容，供今后使用。

筆者將知識工程技術(shù)、模塊化設(shè)計思維和可重構(gòu)思想引入數(shù)控機床設(shè)計的研究中，通過實例推理，結(jié)合參數(shù)化、模塊化設(shè)計技術(shù)，使設(shè)計知識得到積累與再利用。這一方法重構(gòu)簡單，對設(shè)計人員技術(shù)要求低，可有效節(jié)約設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，提高機床產(chǎn)品的適應(yīng)性與柔性度，為精益、敏捷、柔性化制造發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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